Способы организация данных в грид  

ГРИД-файл - это обычный текстовый файл формата ASCII, который содержит строки, состоящие из четырех чисел, разделенных пробелами. Каждая строка определяет цвет для конкретного значения ячейки грида. Первое число задает значение ячейки, следующие по порядку числа определяют количественную долю красного, зеленого и синего цветов. Комбинация этих долей и определяет цвет, который используется для отображения ячеек грида с соответствующими значениями.

Для грида значение цвета, являющегося параметром для отображения какой-либо непрерывной характеристики окружающей среды, рассчитывается для всей ячейки целиком и является ее параметром. В отличие от обычного растра, ГРИД является покрытием, которое характеризует всего один признак, одну характеристику на поверхности Земли.

Типы данных в грид.Каждая ячейка в растре имеет одно значение. Тип используемой системы измерений имеет колоссальное значение. Расстояние в 20 км в два раза больше, чем расстояние в 10 км., а предмет весящий 100 кг в 3 раза легче предмета, весящего 300 кг. Однако, почвы с рН=3 не в будут в 2 раза кислее, чем рН=6. А 30 летний человек в два раза моложе 60-летнего. Но только один год (31 не половина 61). А с точки зрения на дату рождения: дата 1970 год не больше в 2 раза чем 2000 год.

Смысл этих примеров в том, что числовые данные не могут обрабатываться одинаково. Важно знать систему измерения значений в растровом формате данных, чтобы выбирать соответствующие операторы и функции и правильно трактовать результат. Значения измерений можно поделить на четыре типа: относительные, интервальные, порядковые и номинальные шкалы. Для поверхности ГРИД используют два типа данных – интервальные и относительные.

Значения ячеек могут относиться к одному из следующих двух общих типов данных.

1. Интервальные данные. Значение интервальных данных представляет измерение в таких шкалах, как, например, время дня, температура в градусах Цельсия или величина рН. Эти значения определены на некоторой калиброванной шкале, но не соотнесены с фиксированным нулем. Поскольку нет точки значения истинного нуля, операции сравнения значений выполнять можно, но вычисление их отношений и пропорций не всегда имеет смысл.

2. Относительные данные.Значение относительных данных представляет меру в шкале с фиксированным нулем, имеющим определенный смысл. Для этих значений можно использовать все математические операции с предсказуемыми и значимыми результатами. Примерами относительных измерений могут быть возраст, расстояние, содержание загрязняющего вещества, вес или объем.

Растр является наиболее часто используемым представлением поверхности, т.к. именно в этой форме за невысокую цену широко распространяются данные о рельефе.

Для растров существует широкий набор функций пространственного анализа, например, нахождение пространственного совпадения, близости, пути с наименьшей стоимостью. 

Недостатки растрового представления: разрывы, непрерывности (гребни) передаются недостаточно хорошо, а точные местоположения таких пространственных объектов как вершины теряются при дискретизации растров, выполненных в виде сетки грида. Растры уместно использовать в приложении для мелкомасштабного картирования, где точность местоположения не имеет первостепенное значение и не требуется точного изображения пространственных объектов поверхности.

TIN (ТИН) –нерегулярная триангуляционная сеть и представляет поверхности в виде совокупности смежных, не перекрывающихся треугольных граней.

«Нерегулярная» - определяет ключевое преимущество TIN в моделировании поверхности – точки могут быть взяты с переменной плотностью для моделирования участков, где рельеф резко меняется.

«Триангуляционная» - указывает на способ построения набора треугольников из набора точек. Треугольники дают хорошее представление о локальной части поверхности, так как три точки со значениями Z однозначно определяют плоскость в трехмерном пространстве.

«Сеть» отражает топологическую структуру, которая присуща ТИН. Такая структура дает возможным сложный анализ поверхности и, кроме того, компактное представление поверхности.

Используя TIN можно оценить значения местоположения поверхности с помощью простой или полиномиальной интерполяции высот в треугольнике. Поскольку высоты в TIN берутся нерегулярным образом, то можно использовать переменную плотность точек на участках резких пересечений рельефа, что создаёт в результате эффективную и точную модель поверхности. TIN сохраняет точное местоположение и форму пространственных объектов поверхности.

Создание ТИН

ТИН строятся по точкам, имеющим координату Z (высота, содержание химического элемента, температура почвы, значение рН и тд). По этим исходным точкам выполняется триангуляция по набору точек. В ТИН треугольники называются гранями, точки становятся узлами граней, а линии гребней называют ребрами.

Представление TIN моделирует поверхность на наборе точек, по которым разбиты треугольники, или иными словами выполнена триангуляция. Каждая грань является частью плоскости в трехмерном пространстве. Все грани ТИН точно смыкаются с соседними в каждом узле и вдоль каждой грани. Грани не могут пересекать друг друга.

Каждый треугольник содержит топологическую информацию о соседних треугольниках, образуя сеть.

Триангуляция и топология

Для заданного набора точек можно построить много вариантов разбиения на треугольники. В ArcGIS для оптимального моделирования поверхности треугольниками применяется триангуляция Делоне.

Основной принцип алгоритма триангуляции Делоне заключается в том, чтобы построить треугольники, которые все вместе будут по возможности близкими к равносторонним фигурам. При такой интерполяции значения высот для новых точек будут более близки к известным исходным точкам.

Триангуляцию можно производить по исходному набору объектов поверхности, представленных точками, линиями и областями. Сначала выполняется триангуляция по точкам. Затем в процесс триангуляции вводятся линии и создаются новые узлы там, где эти линии разбивают грани. Под конец, в процесс триангуляции вводятся области; они тоже могут разбивать или рассекать грани.

После выполнения триангуляции для ТИН сохраняется список узлов каждой грани, а также список соседних граней.

Морфология поверхности

Точечные пространственные объекты – представляют точки, в которых измерено Z-значение (вершины гор). Они отражаются узлами треугольника, сохраняя исходное местоположение и высоту.

Линии перегиба - линейные пространственные объекты типа водотоков и гребней, представлены связанным набором рёбер треугольника.

Существуют два вида линий перегиба:   

1) резкие;

2) нерезкие.

Резкие линии перегиба - отражают разрыв в уклоне, например, линию водотока. В то время, как поверхность сама непрерывна. То ее уклон может и не быть непрерывным. Разные линии перегиба передают изрезанность поверхности и улучшают анализ и отображения TIN.

Нерезкие линии перегиба - позволяют добавлять ребра, чтобы показать линейные пространственные объекты, не нарушающие уклон. Например, нужно добавить очертания дороги к модели поверхности, но это может не сказываться на локальном уклоне поверхности.

Площадные объекты типа озёр и островов изображаются замкнутым набором рёбер треугольника.

Полигоны замещения - задают одно постоянное Z-значение границе и всем высотам внутри ее.

Полигоны стирания - отмечают все области в пределах полигона как находящиеся вне области интерполяции для данного режима. При аналитических операциях типа вычислений объема, построения изолиний и интерполяции такие области игнорируются.

Полигоны отсечения - отмечают все области вне полигона, как находящиеся вне интерполяции для данной модели.

Полигоны заполнения - назначают целочисленные атрибутивные значения всем граням в пределах полигона. Никакой замены высот, стирания и отсечения не происходит

TIN поддерживают разнообразие вида анализа поверхности: вычисление высот, уклонов и экспозиций склона, расчёт объёмов и создание профилей по линии.

Недостаток TIN - часто их нелегко получить и для создания требуется сбор данных. TIN хорошо подходит для крупномасштабного картирования, где важны точность позиций и форм пространственных объектов.

Тема 7

Введение в ГИС анализ. Его цели и задачи. Способы выбора объектов в ГИС. Выбор по запросу. Выбор при помощи графических объектов. Поиск объектов. Расчеты Картирование объектов. Категории Ранги. Численность. Абсолютные величины. Относительные значения. Классификация. Пространственные операции. Оверлей. Буферизация. Анализ с помощью поверхности GRID (плотности «Населения», плотности распределения объектов)

Подсистема анализа ГИС

Подсистема анализа ГИС – это то, ради чего ГИС существует. Однако, это и самая неправильная подсистема: от попыток сравнить не сравнимые напрямую данные номинальной шкалы с высокоточными данными шкалы отношений до обнаружения различных связей без проверки точного существования. Неправильное употребление этой подсистемы в значительной степени обусловлено недостатком понимания природы пространственных данных. При этом широко распространено мнение, что ГИС являются панацеей для решения всех задач, включающих географический инструмент. Это не совсем верно. Сейчас ГИС развивается, скорее, благодаря потребностям рынка, для которого необходим только набор инструментов для решения пространственно-аналитических задач. В то же время, разнообразие ГИС - пакета могут удачно дополнять друг друга.

ГИС – анализ позволит вам понять закономерности и взаимные отношения географических данных. Результаты анализа позволят проникнуть в суть происходящего в данном месте, помогут координировать ваши действия или выбрать лучший вариант решения.

ГИС – анализ представляет собой процесс поиска географических закономерностей в данных и взаимоотношений между пространственными объектами. Методы могут быть очень простыми, в ряде случаев надо лишь создать карту, по которой будете производить анализ, или более сложными, включающими моделирование реального мира и объединение большого числа различных слоев данных.

Какая информация нужна

Любой анализ необходимо начинать с определения того, какая информация нужна. Часто это выполняется в форме вопросов. (Какая площадь каждого района занята лесом и т.д.?) Максимальная конкретизация вопросов поможет решить, как приступить к анализу, каким методом воспользоваться.

Способ использования результатов

Другие факторы, влияющие на проведение анализа – это способ использования результатов, и кто их будет использовать. Можно просто исследовать территорию для понимания ее развития или поведения объектов. А если результаты исследования необходимо представить в судебную инстанцию для наложения штрафов – выбираемые методы анализа должны быть более строгими, а результаты – более конкретными.

Виды ГИС – анализа

Наиболее общими задачами анализа являются следующие:

1.Картирование местоположения объектов и явлений

2.Картирование по величине

3.Картирование плотности

4.Поиск объектов, попадающих внутрь других объектов

5.Поиск объектов, находящихся на определенном расстоянии от других объектов

Конкретный метод анализа

Конкретный метод анализа также будут определять тип данных и пространственных объектов.

Почти всегда существуют два или три метода получения необходимой информации. Часто самый быстрый метод дает наиболее приближенные результаты. Другие способы могут потребовать более детальных данных, а также больших усилий и времени обработки, но обеспечивают более точные результаты. Только вы решаете, какой из методов использовать, основываясь на постановке задачи, а также с учетом того, как будут использованы результаты.

В ряде случаев для выполнения анализа необходимо получить или создать новые данные или слои.

Просмотр результатов.

Результаты анализа могут быть выведены в виде карты, значений в таблице или диаграммы. Просмотр результатов анализа также поможет решить, является ли информация достоверной или полезной, или следует повторить процедуру анализа.

Особенности анализа растровых и векторных данных

Напомним, что ГИС работают с двумя типами объектов: векторными и растровыми. При работе с векторными данными большая часть анализа связана с атрибутивной информацией хранящейся в таблицах слоев. В растровой модели каждый слой представляет собой один атрибут и анализ в основном сводится к комбинированию слоев с созданием новых, с новыми значениями пикселей.

Слои данных, использующиеся для анализа, должны быть представлены в одной системе координат и картографической проекции. В противном случае комбинация слоев будет невозможна.

Значения атрибутов

Любой пространственный объект имеет некоторые количественные и качественные характеристики, которые представляют собой набор атрибутов. Вид анализа зависит от типа атрибутов доступных для обработки. Атрибуты могут принимать несколько типов значений:

1.Категории

2.Ранги

3.Численность

4.Абсолютные величины

5.Относительные значения

Картирование пространственных объектов

Картирование пространственных объектов в зависимости от типа значений их атрибутов.

Категории – представляют группы схожих объектов. Все объекты с одинаковым значением для категории в чем-то похожи и отличаются от объектов других категорий. Например: категории дороги: автострады, шоссе, второстепенные местные дороги. Значение категорий можно представить, используя числовые коды или текст.

Ранги (оценки) – с помощью рангов вы располагаете объекты по порядку, от большего к меньшему. Ранги представляют собой качественную или относительную величину и используются в случае, когда нет возможности провести точные измерения (например, территории, ранжированные для проведения отдыха – замечательный, хороший, средний, плохой). Поскольку оценка по рангам относительна, то при сравнении ориентируются только на установленный порядок, не зная абсолютного различия между рангами (Шкале Мооса). Можно назначать ранги, основываясь на атрибуте, (только тип или категория), а также на комбинации атрибутов (Пример – почвы по типу увлажнения + определенная пригодность для сельского хозяйства по набору признаков).

Численность и количество - показывают общие оценки. Численность представляет реальное число объектов на карте. Количество может быть любой измеренной величиной, связанной с объектом, например, число студентов в ВУЗе. Использование численности и количества позволяет узнать реальное значение каждого объекта, а также его реальную характеристику в сравнении с другими объектами.

Относительные значения – показывают взаимосвязь между двумя количественными величинами, и получаются делением одной величины на другую для каждого объекта. Использование относительных значений сглаживает разницу между большими и малыми регионами, или регионами с большим и малым числом объектов, при этом на карте будет более точно отображаться распределение объектов.

Непрерывные и дискретные значения 

Категории и ранги являются дискретными значениями (одно и то же значение могут иметь несколько объектов). Численность, количество и относительные величины относятся к разряду непрерывных данных.

Анализ атрибутивных данных

Большая часть анализа в ГИС приходится на работу с атрибутивными таблицами объектов. Они могут содержать как собственно значения, так и итоговые статистики.

При работе с таблицами выполняются три основных операции:

1.Выборка

2.Расчет

3.Нахождение статистических значений

Выборка

Выборка осуществляется по запросу в форме логического выражения:

Select attribute = value (выбрать атрибут = значение).

Другими словами, запрос создается на выбор объектов, значения которых отвечают определенному условию или условиям. Для задания условий существует ряд операторов:

= - «равно» ; > - «больше чем» ;

< - «меньше чем» ; => - «больше или равно»;

=< - «меньше или равно»; <> - «не равно»;

or – «или»; and – «и».

Некоторые программы позволяют производить выборки по ряду критериев последовательно, делая выборку из выборки, добавлять объекты отвечающие другому критерию в выборку и т.п.

Поиск объектов, расположенных внутри других объектов

Поиск объектов, попадающих внутрьдругих объектов позволяет оценивать степень активности внутри определенных областей или суммировать информацию для каждой области, чтобы можно было сравнивать эти области.

Существует три метода поиска объектов, находящихся внутри:

1. Отрисовка областей и объектов. Создается карта, показывающая границы площадей и объекты. Можно визуально оценить, какие объекты попадают, а какие выступают за пределы области с указанными границами.